植根国家级多学科交叉科研基地构建高层次创新人才培养生态系统

王莉莉 刘鑫达

研究生培养

植根国家级多学科交叉科研基地构建高层次创新人才培养生态系统

王莉莉 刘鑫达

明确了多学科交叉培养高层次创新人才的目标，提出了多学科交叉培养高层次创新人才的理念，并以北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室的虚拟现实专业高层次创新人才培养实践为例，探讨了如何发挥学科交叉的科研基地优势，培养更多高素质的创新型虚拟现实技术高层次人才。

学科交叉科研基地；高层次创新人才；虚拟现实；研究生教育

随着我国经济、社会发展对科技创新需求的迅速增长和国家创新驱动发展战略的深入实施，我国要做到科技、产业发展自主可控，就要更加重视人才自主培养。学科交叉对于学科发展、学术创新以及高层次创新人才培养都有重要作用。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是典型的多学科交叉技术，作为人、机、物三元融合的重要支撑技术，以及下一代通用计算平台，可以拓展人类感知能力，改变产品形态和服务模式，在航空航天、装备制造、国防军事、医疗卫生、文化教育等重要领域得到了日益广泛和深入的应用。本文重点阐述北京航空航天大学（以下简称“北航”）虚拟现实技术与系统国家重点实验室（以下简称“VR重点实验室”）多学科交叉科研基地培养虚拟现实高层次创新人才的实践，期望为其他学科交叉基地培养高层次创新型人才提供参考。

一、虚拟现实专业高层次创新人才的培养目标

想要培养出高层次创新人才，首先要明确什么是高层次创新人才。本文将高层次创新人才定义为在具备良好的基础知识储备前提下，能够对相关专业的核心科学问题或复杂系统中的科学和工程技术问题开展研究并给出解决方案的研究生层次人才。

虚拟现实技术跨界融合了多个领域的技术，是战略性新兴产业的重要前沿方向，也是我们必须培养出高层次创新人才的重要领域。不同于其他前沿方向，虚拟现实学科交叉的属性很强，还存在着很多开放性问题（尤其是无法简单归类于某个学科的问题）[1]。在构建多学科集成与交叉的培养环境与机制，培养未来能够解决综合性重大科技和社会问题的复合型创新人才已经成为各国研究生教育发展的共识和趋势。在这个大背景下[2-3]，在我国虚拟现实高层次创新人才的培养上，以学科交叉的方式进行教育教学不仅是可行的，也是必要的，同时更是亟须推进的。由于虚拟现实技术是一个覆盖基础理论和技术应用的专业，创新型虚拟现实人才的培养目标是培养具备良好的多学科专业理论基础（尤其是良好的数理计算机基础知识储备）、扎实的专业知识、跨学科分析问题寻找方案的技能和出色的沟通协作能力，从而能够解决虚拟现实领域的核心科学问题或复杂系统中的工程技术问题的人才。上述目标要求我们培养的虚拟现实专业高层次创新人才具备下列四种能力：①创新能力。要求高层次创新人才在面对从未接触过的新领域、新问题时，可以提出有效的研究方法，安排合理的研究计划，成功解决问题。②工程能力。要求高层次创新人才能够将具体任务定义、分解，然后抽象成更形式化的问题，能够构建复杂系统或者流程逐步解决得到的问题，并且具有解决问题的项目能力。③沟通与团队合作能力。不同学科在认识论上有分野，造成学科之间难以沟通，这就要求高层次创新人才具备与多领域、多学科人员高效交流沟通与协同合作的能力，能够将某一学科领域的研究传达给其他学科领域的研究者以及非学术研究者，同时能充分理解其他领域研究者的专业表达和知识体系。④自主学习能力。要求高层次创新人才不仅具备主观能动性，还要有自我设定目标、规划时间进度的能力，能够在未知的领域里快速适应、快速成长。

二、“开放自主，交叉协作，持续赋能”的高层次创新人才培养理念

常规的单一学科人才培养模式难以实现虚拟现实这类多学科交叉专业创新人才培养目标，存在以下突出问题：①虚拟现实是新兴的交叉前沿学科，人才培养局限在计算机科学单一领域，其效果大打折扣。单一学科的知识壁垒和单一学科师资队伍制约了多学科交叉创新人才能力的培养，影响高水平学科交叉创新成果的产生。②只注重研究生在校期间知识传授与单一学科科研成果产出，导致研究生长期献身科技的情怀与持续创新的能力不足，人才成长后劲不足。③注重对研究生在本学科领域的研究创新进行指导，对研究生创新自驱力与多学科协作创新能力的培养不足，难以培养兼具自主创新与多学科协作创新能力的人才。

为了达到培养目标，我们提出了面向多学科交叉专业培养高层次创新人才的理念：开放自主，交叉协作，持续赋能。在研究生的培养过程中，除了课堂教学之外，更重要的是让研究生参与科技实践、社会实践与重大项目，参加高水平学术交流、国际会议与国际竞赛，从而了解科研现状与国情，明确自己的使命担当，了解国家战略需求，开阔国际视野，激发自我驱动力，培养国际竞争能力，即要在创新人才的培养过程中坚持“开放自主”。虚拟现实学科交叉的属性很强，从基础理论的层面上讲，虚拟现实既包含计算机科学的基础理论，也包含物理学、系统科学、心理学、人因工程学等多个学科的基础理论。在更细粒度的视域下，计算机科学也包含计算机视觉、人工智能、模式识别、人机交互技术、计算机图形学等多个研究领域的基础理论。从技术的层面上讲，虚拟现实技术涉及多个学科多个专业的相关技术。例如，经常使用的力触觉硬件涉及机械工程专业，三维场景重建涉及自动控制专业，头盔和三维立体成像等显示设备涉及仪器光电专业，三维模型的造型和构建涉及艺术设计专业。从应用系统的层面上讲，虚拟现实已经在国防军事、航空航天、公共安全、装备制造、城市管理等行业以及医疗健康、电子商务、教育培训、文化娱乐等大众消费领域得到广泛应用。为了实现高水平多学科交叉的创新，“交叉协作”是一条有效、必要的途径。提供多学科平台，构建多学科的师生团队，给研究生更多的机会接受多学科教师的指导，参加学科交叉的讲座与讨论，参与涉及多学科知识的实际项目，将大大提高产生高水平多学科交叉创新成果的概率。生态的构建离不开可持续性，高层次创新人才培养以培养能够长程创新的人才为目标，要能够进行持续的创新，“持续赋能”至关重要。研究生不仅在校期间可以接受到良好的教育，离校后仍可以继续获取基地的支持和吸收营养的机会，并且反哺在校生。离校不离基地，为所培养的研究生能够在某一个领域进行持续创新提供支撑。

三、构建依托北航VR重点实验室的高层次创新人才培养生态系统

北航VR重点实验室定位于虚拟现实的应用基础与核心技术研究，强调原始创新，重视系统研发，发挥实验室多学科交叉、军民应用背景突出的优势，为虚拟现实技术的发展和应用做出基础性、示范性、引领性贡献。根据“开放自主，交叉协作，持续赋能”的高层次创新人才培养理念，VR重点实验室通过聚合计算机科学与技术、控制科学与工程、机械工程、仪器科学与技术、航空宇航科学与技术、生物医学工程和艺术学等七个优势一级学科，对多学科交叉培养高层次创新型虚拟现实人才的培养模式进行了长期研究和实践，建立了植根于高水平多学科交叉科研基地，以学生为中心的“环（环境）—机（机制）—物（体系）”三维一体的高层次创新人才培养生态系统（见图1）：通过打造具有国际一流软硬件资源的多学科交叉人才培养平台，为能够规模化培养高层次创新人才提供大环境；构建可激发、塑造“两力”（自我驱动力与协作能力）的创新能力培养机制，为研究生的持续创新能力培养提供动力；建立基于“三结合”原则和“四课堂”培养的多学科交叉人才培养体系，为提高研究生的多学科交叉创新能力和综合素质提供保障。

图1 多学科交叉人才培养“环—机—物”生态系统

1.环境：打造具有国际一流软硬件资源的多学科交叉人才培养平台，为规模化培养高层次创新人才提供良好的培养环境

VR重点实验室围绕国家和产业重大科技目标，遴选来自计算机科学与技术、机械工程、航空航天、生物医学工程等七个优势学科的包含院士、杰出青年科学基金获得者、长江学者等在内的近60名高水平教师，组成多学科研究生培养导师团队，对研究生进行指导；每年招收来自不同学科的优质博、硕士生约140名，构建了多学科交叉多层次人才科研队伍；面向航空航天、军事、装备制造、医疗等战略性领域的前沿科技方向，自主研发配套成龙的多学科实验设备与环境，包括飞行模拟器、腹腔镜手术模拟装置、虚拟现实集成采集建模环境、火焰数据获取装置、实时视频采集建模环境、人体血液循环模拟实验装置，全面向研究生开放，为其在学科高度交叉的虚拟现实、增强现实研究领域进行理论创新、技术突破与应用研发提供实验与实践基础条件；构建国际一流的学术交流平台：举办虚拟现实论坛，让学生与图灵奖、国家科技奖获得者等国内外高水平专家学者面对面交流，与哈佛大学、卡内基梅隆大学和东京大学等世界顶级高校开展合作研究，导师在虚拟现实国际顶级会议上担任重要职务，为研究生提供国际学术交流机会，扩大了研究生的国际视野，提高了竞争力。

2.机制：构建激发、塑造“两力”（自我驱动力与协作能力）的创新能力培养机制，为研究生的持续创新能力培养提供动力

以计算机科学与技术、仪器科学与技术、航空宇航科学与技术、生物医学工程等国家重点发展与优势学科为轴心，引导多个学科进行相应的交叉渗透，强化多学科间的横向交叉和融合，通过组织研究生参与学术交流等方式发现问题，在新兴、边缘、交叉学科方向培育凝练出新的学术增长点，为研究生实现多学科跨界创新，激发学科融合“聚变效应”提供培育创新意识和创新能力的机遇。用科研基地经费设置自主课题，要求两个学科以上的导师和研究生自由组队申报，自由探索学科交叉的研究内容，鼓励研究生在导师指导下自定学科交叉的创新研究目标，进行自主创新研究，激发他们的自我驱动力。资助研究生合作发表高水平学术论文，参加国际学术会议，出国进行学术交流，提高研究团队的国际影响力。组织多学科学生组建团队参加国际国内科技大赛，包括各类跨学科的科技竞赛，充分发挥各学科研究生的专长，培养研究生协作创新能力，激发他们进行自主创新的热情。积极与企业建立联系，进一步构建与国内外相关研究机构、企业交流合作的平台，与国内外相关研究机构、企业，如百度、华为、商汤等公司建立了长期、稳定的紧密合作关系，建立提高研究生创新技术转化能力的平台，为研究生在解决实际问题过程中提升创新能力提供机会，获得科技创新巅峰体验，从而促进长程持续创新。

3.培养体系：建立基于“三结合”原则和“四课堂”培养的多学科交叉人才培养体系，为提高研究生的多学科交叉创新能力和综合素质提供保障

本着三结合原则（理论学习与工程实践相结合、学科创新与多学科协同创新相结合、学科导师负责与多学科导师指导相结合），构建“四课堂”。在“第一课堂”中，建立了多学科交叉课程与实验体系，“智能行为建模与仿真”“飞行仿真技术”“VR/AR创新设计”“人机交互与用户体验设计研究”“维修性虚拟仿真与评价”“触力觉人机交互”“生物系统建模与仿真”等特色课程覆盖了计算机、控制、艺术、机械与医学等多个学科，“VR一级工程实践”“虚拟现实综合实验”“网络虚拟环境技术”等实验课程让研究生从单人VR基本模块的实现开始，到组织跨学科团队进行涉及多学科知识的虚拟手术、飞行模拟器等综合实验项目的设计与实现，循序渐进，全面提高研究生动手能力。“第二课堂”是科学研究和工程开发相结合的科研实践体系，研究生通过参与各类国家科技计划项目，尤其是多学科交叉的“全息真3D显示关键技术”“复杂产品全系统建模与集成技术”和“虚拟人体与虚拟手术技术”等国家重大需求项目，将自己所学理论应用于实际科研。“第三课堂”是组织研究生到农村、山区进行社会调查与实践，让他们深入了解国情。我们首次开辟了“第四课堂”，即研究生毕业后课堂，成立实验室校友会，与毕业生保持联系，关注其在工作岗位的科技创新成果，检验在校期间的培养效果，并且通过设立开放课题等举措给他们必要的支持，2010—2020年间资助毕业生创新费用超过100万元，助力他们创新能力的长程提高。同时请毕业生与在校生开展交流，近五年举办毕业生与在校生交流30余场，实现双向赋能。针对“四课堂”，借鉴基于学科发展的动因、前景和方向的多元、多阶段评价方式思想[4]，建立多元个性化的研究生评价体系，即课程+论文/系统/竞赛的模式，将标准定量评价与同行评价相结合，更加合理地对研究生培养质量进行评价。

四、高层次创新人才培养成效

从2010年至2020年，依托VR重点实验室多学科交叉研究基地，我们累计培养了硕士1212名、博士251名，其中硕博跨一级学科博士占20%，出站跨一级学科博士后52名。

在多学科交叉培养模式下，研究生多学科交叉的顶级学术成果大幅度提升，原创性学术基础创新能力显著提高。近五年，研究生在国际顶级期刊（Q1区）和中国计算机学会推荐的A类期刊和会议上发表学术论文267篇，比五年前增加150%，获得10余个国际顶级会议的最佳论文奖和最佳论文提名奖。在顶级虚拟现实国际会议IEEE VR 2021和IEEE ISMAR 2020，北航VR重点实验室署名论文录用数占国内录取数约50%，占会议总录取论文数的10%。多名博士生的学位论文获得了中国计算机学会、中国图像图形学学会、中国人工智能学会和中国机械工程学会优秀博士学位论文奖励。在多学科交叉的创新机制的激励下，研究生在国内外创新竞赛中屡获奖励，提升了国际竞争能力，例如博士生获2018年国际医学图像计算机辅助介入大会左心房分割挑战赛冠军，硕士生获大规模互联网图像识别挑战赛WebVision 2018冠军。研究生参与了国家重大需求牵引的重大项目、工程并获奖，提升了技术、应用与集成创新能力。研究生在读期间参加了包括国家自然科学基金重大重点项目、国家重点研发项目、科技攻关项目与国际合作项目等，产生了多项重要创新成果。例如：将大规模复杂动态场景高效建模与逼真绘制技术应用于国庆60周年阅兵、抗战胜利70周年阅兵和军事战术指挥模拟训练，实现了阅兵方案全过程、全要素、大场景、高动态实时推演，以及600个席位的高逼真军事演练；将虚拟场景、机械平台、自动控制、人机交互等多学科交叉技术综合应用，研制了C919国产大飞机飞行模拟机，开展了飞机驾驶舱物理工效、故障程序等动态评估。在2010年至2020年间，三十余名研究生获得国家及省部级奖励，获评“五四”奖章集体；二十余名博、硕士研究生获评北京市优秀毕业生。

近五年，实验室培养的研究生部分就职于北京航空航天大学、北京邮电大学、北京电影学院、南京航空航天大学、德克萨斯农工大学等国内外知名高校；部分就职于中国航天科工集团、中国船舶集团有限公司、中国商用飞机有限公司等重要研究机构；部分前往美国加州大学洛杉矶分校、密歇根大学安娜堡分校和英国伦敦大学等继续深造；部分就职于微软、华为、大疆、商汤等知名科技公司，担任核心技术职务。部分毕业生将研究成果转化为创业项目，研发的全平台AR/VR互动识别引擎技术方案、虚拟现实手术模拟器、三维空间声场主动降噪技术、虚拟现实视频融合监控平台和大视景数字孪生系统等已经在电商、商业地产、旅游文娱、医疗、汽车、家电、军事和安防等多个领域得到了广泛的应用，产生了重要的经济和社会效益。

在十余年探索与实践过程中，VR重点实验室的虚拟现实专业高层次创新人才培养模式不断完善和发展。实验室研究生导师在中国计算机教育大会、中国高等教育博览会、国家级实验教学一流课程建设研讨会、全国虚拟现实专业建设研讨会、国家虚拟仿真实验教学项目建设与申报研讨会、虚拟现实专业建设暨人才培养研讨会等重要会议上，就该人才培养模式作报告20余次；在《学位与研究生教育》《研究生教育研究》等重要期刊发表相关的论文二十余篇，得到广泛的关注和引用。将多学科交叉创新人才培养的模式向外校辐射，如北京理工大学、北京师范大学等。为了进一步扩大影响，VR重点实验室主办承办国际增强现实与混合现实大会（IEEE ISMAR 2019）、国际虚拟现实技术与系统大会（ACM VRST 2015）等三十余次国际国内会议，参会人员达1万多人。主办或联合主办各类竞赛十余次，例如国际虚拟现实技术及应用创新大赛，参赛人数2000余人。多学科交叉培养模式与创新成果得到了政府部门、教育部门和高校的广泛关注，近十年基地接待来访约1900次。

五、特色与创新

我们以北航VR重点实验室为依托，构建了以学生为中心、“环（环境）—机（机制）—物（体系）”三维一体的虚拟现实专业高层次创新人才培养生态，形成如下特色与创新点：

第一，突破了单一学科人才培养制约，构建了具有国际一流软硬件资源的立体化多学科交叉人才培养平台，为规模化培养高质量虚拟现实人才提供了环境。包括：多学科高水平师资，多学科高质量生源，自主研发配套成龙的多学科实验设备与环境，形成了国际高水平学术交流机制，开阔了研究生的国际视野，提高了国际竞争能力。

第二，探索形成了一套有效的、重在激发研究生“两力”（自我驱动力与协作能力），可塑造兼具自主创新与协作创新能力的培养机制，为研究生的持续创新能力培养提供动力。通过设置学科交叉自主课题，鼓励自由探索，鼓励学科交叉创新；要求研究生参加本领域顶级国际会议、组队参加科技竞赛；和一流企业建立联系，让研究生接触实际，解决实际问题，激发研究生的自我驱动力与协作能力，使得创新成为其习惯，为国家输送能够长程创新的人才。

第三，突破研究生在校时限，将培养机制扩展到研究生毕业后，建立了基于“三结合”原则和“四课堂”培养的多学科交叉人才培养体系，为培养具有多学科交叉创新能力和综合素质的高层次创新人才以及长程创新提供保障。通过多学科交叉的课程体系、科研实践、社会实践体系建设，让研究生直接参与国家重要科技项目的研发，了解中国国情，增强使命感和责任感；将仅关注研究生在校创新能力的培养拓展至研究生毕业后创新能力的再提升；建立了多元个性化的学生质量评价体系，将关注研究生单一学科创新能力培养转变为关注研究生多学科交叉创新能力与综合素质的提高。

研究生教育作为我国教育结构中最高层次的学历教育，肩负着国家现代化建设培养高素质、高层次创新型人才的重任，是我国增强综合国力、增强国际竞争力的重要支撑力量[5]。本文以虚拟现实高层次创新人才培养为例，重点介绍了依托国家级多学科交叉科研基地打造虚拟现实专业高层次创新人才培养平台的实践，并且给出了十年实践取得的成果。我们期望依托VR重点实验室培养高层次创新人才的模式为多学科交叉科研基地人才培养提供参考和借鉴。同时也要注意，涉及多学科交叉的不同专业的高层次人才培养往往具有一定的差异性，应该注重各基地和专业的特点，探索适合自身的高层次创新人才培养模式。

[1] 赵沁平. 虚拟现实中的10个科学技术问题[J]. 中国科学:信息科学, 2017, 47(6): 800-803.

[2] 高磊, 赵文华. 学科交叉研究生培养的特性、动力及模式探析[J]. 研究生教育研究, 2014(3): 32-36.

[3] 高磊, 赵文华. 美国学科交叉研究生培养的现状及启示——以美国研究生教育与科研训练一体化项目为例[J]. 学位与研究生教育, 2014(8): 54-60.

[4] 赵沁平. 研究生教育领域仍需摸着石头过的三条河[J]. 研究生教育研究, 2019(1): 1-2.

[5] 郭蕾, 何峰, 黄宗英. 服务于创新型国家建设的中国研究生教育的思考与展望——北京大学研究生教育九十周年系列活动之中国研究生教育发展研讨会综述[J]. 学位与研究生教育, 2008(5): 34-38.

10.16750/j.adge.2022.01.005

王莉莉，北京航空航天大学计算机学院教授，北京 100191；刘鑫达，北京航空航天大学计算机学院博士研究生，北京 100191。

（责任编辑 周玉清）